(57)【要約】  ソフトウェア無線地球大気撮像システムであって、少なくとも１つの撮像装置を備え、この撮像装置は、上空波、地上波及び第１の時間信号を射出するように構成された電波エミッタと、；電波検出器であり、電波受信器の２次元配列を含み、搬送波と前記地上波を受信して第２の時間信号を送信する電波検出器と、；ＧＮＳＳと少なくとも１つの同期クロックとを含むベクトルネットワークアナライザであり、第１のワイヤを介して前記電波エミッタと電気的に通信し、第２のワイヤを介して前記電波検出器と電気的に通信し、これらのワイヤは前記時間信号を送信するためのものであるベクトルネットワークアナライザと、；前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するソフトウェア無線と、；前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するコンピュータデバイスとを備えるシステム。【選択図】図９
2019523880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータデバイスと共に使用するソフトウェア無線（ＳＤＲ）地球大気撮像システムであって、このシステムは、少なくとも１つの撮像装置を備え、この撮像装置は、
電波エミッタと、
電波検出器であり、電波受信器の一次元配列又は電波受信器の二次元配列の何れかを含む電波検出器と、
ベクトルネットワークアナライザであり、グローバルナビゲーション衛星システムＧＮＳＳ及び少なくとも１つのタイマを含むベクトルネットワークアナライザと、
前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するソフトウェア無線とを備え、前記電波エミッタは、前記ベクトルネットワークアナライザに第１の時間信号を送信すると、電離圏に上空波を射出するためのものであり、前記電波検出器は、搬送波を受信するときに前記ベクトルネットワークアナライザに第２の時間信号を射出するためのものであり、前記ソフトウェア無線は、前記ベクトルネットワークアナライザを制御するためのものであるシステム。
【請求項２】
請求項１のシステムにおいて、前記電波検出器は、電波受信器の２次元配列であるシステム。
【請求項３】
請求項１又は２のシステムにおいて、前記ベクトルネットワークアナライザは、クワドラチュアプロセッサを含むシステム。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載のシステムにおいて、前記撮像装置がローパスフィルタを含むシステム。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載のシステムにおいて、複数の前記撮像装置を備えるシステム。
【請求項６】
請求項５のシステムにおいて、コンピュータデバイスを更に備え、このコンピュータデバイスは、前記撮像装置の各ベクトルネットワークアナライザと電子通信するシステム。
【請求項７】
請求項６のシステムにおいて、前記コンピュータデバイスは、メモリとプロセッサとを含み、前記メモリは、位相シフトを計算するための命令を含むシステム。
【請求項８】
請求項７のシステムにおいて、前記メモリは、前記位相シフトに基づいて屈折率を計算するための命令を更に含むシステム。
【請求項９】
請求項８のシステムにおいて、前記電波エミッタは、地上波を射出するように構成され、前記電波検出器は、前記地上波を検出するように構成されているシステム。
【請求項１０】
特定区域における大気攪乱事象を検出する方法であって、少なくとも１つの撮像装置を利用することを含み、この撮像装置は、電波エミッタと、；電波検出器であり、電波受信器の一次元配列又は電波受信器の二次元配列の何れかを含む電波検出器と、；ベクトルネットワークアナライザであり、ＧＮＳＳと少なくとも１つのタイマとを含み、前記ベクトルネットワークアナライザは、前記電波エミッタ及び前記電波受信器のそれぞれと電子通信するベクトルネットワークアナライザと、；ソフトウェア無線であり、前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するソフトウェア無線と、；前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するコンピュータデバイスとを備え、；前記方法は、前記電波エミッタが電波を電離圏へ射出し、これに付随して第１の時間信号を前記ベクトルネットワークアナライザへ送信し、前記電波検出器は電離圏から反射された搬送波を検出し、これに付随して第２の時間信号を前記ベクトルネットワークアナライザへ送信し、前記第１の時間信号と前記第２の時間信号との間の時間差を決定し、前記射出された電波と前記搬送波との間の位相差を、前記時間差に基づいて決定することを含む方法。
【請求項１１】
請求項１０の方法において、少なくとも２つの前記撮像装置間の三角測量を使用して前記大気攪乱事象を位置特定することを更に含む方法。
【請求項１２】
請求項１１の方法において、前記大気攪乱事象を定量化するように位相シフトを分析することを更に含む方法。
【請求項１３】
請求項１２の方法において、前記大気攪乱事象の位置を報告することを更に含む方法。
【請求項１４】
ソフトウェア無線（ＳＤＲ）地球大気撮像システムであって、このシステムは、少なくとも１つの撮像装置を備え、この撮像装置は、上空波、地上波及び第１の時間信号を射出するように構成された電波エミッタと、；電波検出器であり、電波受信器の２次元配列を含み、搬送波と前記地上波を受信して第２の時間信号を送信する電波検出器と、；ＧＮＳＳと少なくとも１つの同期クロックとを含むベクトルネットワークアナライザであり、第１のワイヤを介して前記電波エミッタと電気的に通信し、第２のワイヤを介して前記電波検出器と電気的に通信し、これらのワイヤは前記時間信号を送信するためのものであるベクトルネットワークアナライザと、；前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するソフトウェア無線と、；前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するコンピュータデバイスとを備えるシステム。
【請求項１５】
請求項１４のシステムにおいて、２つ以上の前記撮像装置を備えるシステム。
【請求項１６】
請求項１５のシステムにおいて、前記ベクトルネットワークアナライザは、クワドラチュアプロセッサを更に含むシステム。
【請求項１７】
コンピュータデバイスと共に使用するためのソフトウェア無線（ＳＤＲ）地球大気撮像システムであって、このシステムは少なくとも１つの撮像装置を備え、この撮像装置は、上空波と第１の時間信号を射出する電波エミッタと、；電波検出器であり、電波受信器の一次元配列又は電波受信器の二次元配列の何れかを含み、前記電波検出器は、搬送波を受信して第２の時間信号を送信する電波検出器と、；ベクトルネットワークアナライザであり、ＧＮＳＳ及びクワドラチュアプロセッサを含み、第１のワイヤを介して前記電波エミッタと電気的に通信し、第２のワイヤを介して前記電波検出器と電気的に通信し、これらのワイヤは前記時間信号を送信するためのものであるベクトルネットワークアナライザと、；前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するソフトウェア無線とを備えるシステム。
【請求項１８】
特定区域における大気攪乱事象を検出する方法であって、請求項１７の撮像システムを利用することを含む方法。
【請求項１９】
コンピュータデバイスと共に使用するためのソフトウェア無線（ＳＤＲ）地球大気撮像システムであって、このシステムは少なくとも１つの撮像装置を備え、この撮像装置は、上空波と第１の時間信号を射出する電波エミッタと、；電波検出器であり、電波受信器の一次元配列又は電波受信器の二次元配列の何れかを含み、前記電波検出器は、搬送波を受信して第２の時間信号を送信する電波検出器と、；ベクトルネットワークアナライザであり、ＧＮＳＳ及び少なくとも１つのタイマを含むベクトルネットワークアナライザと、；前記電波エミッタ及び前記電波検出器の各々を前記ベクトルネットワークアナライザに接続し、前記第１の時間信号及び前記第２の時間信号をそれぞれ前記ベクトルネットワークアナライザに送信する第１のワイヤ及び第２のワイヤと、；前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するソフトウェア無線とを備えるシステム。
【請求項２０】
請求項１９のシステムにおいて、前記電波検出器は、電波受信器の２次元配列であるシステム。
【請求項２１】
請求項１９又は２０のシステムにおいて、前記ベクトルネットワークアナライザは、クワドラチュアプロセッサを含むシステム。
【請求項２２】
請求項１９乃至２１の何れか一項に記載のシステムにおいて、前記撮像装置がローパスフィルタを含むシステム。
【請求項２３】
請求項１９乃至２２の何れか一項に記載のシステムにおいて、複数の前記撮像装置を含むシステム。
【請求項２４】
請求項２３のシステムにおいて、コンピュータデバイスを更に備え、このコンピュータデバイスは前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するシステム。
【請求項２５】
請求項２４のシステムにおいて、前記コンピュータデバイスはメモリとプロセッサとを含み、前記メモリは、位相シフトを計算するための命令を含むシステム。
【請求項２６】
請求項２５のシステムにおいて、前記メモリは、前記位相シフトに基づいて屈折率を計算するための命令を更に含むシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、２０１６年６月１４日に出願された米国仮特許出願第６２３４９７５６号に関連し、その利益を主張する。上記の優先権を有する特許出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。
【０００２】
分野：
本技術及びこれに関連する撮像方法は、ソフトウェア無線（Ｓｏｆｔｗａｒｅ−Ｄｅｆｉｎｅｄ  Ｒａｄｉｏ：ＳＤＲ）地球大気撮像装置に関する。ＳＤＲ地球大気撮像装置は、地球の大気の特性、例えば、その力、エネルギー、移動方向、大気の擾乱の位置、地上から上層大気への地球の屈折率を測定し、地球の電離層即ち電離圏の表面に存在する波の振幅、周波数、波動ベクトルの電波測定を利用して大気の温度、圧力、組成の測定値を与える。ＳＤＲ地球撮像装置の用途には、太陽、地磁気、気象事象による大気攪乱事象の影響を受けた地球の大気の監視、局所的から世界規模にわたる毎日の天気の予報の支援、及び気候変動の測定と監視の支援などが含まれる。
【０００３】
背景：
地球の大気は、地球の大気の上層領域の空気密度が低いためにゆっくりと再結合するイオンと電子を生成する太陽と太陽放射によって形成されたＤ層、Ｅ層、Ｆ１及びＦ２層として知られる幾つかの電離層を有する（Ｔｈｅ  ＡＲＲＬ  Ａｎｔｅｎｎａ  Ｂｏｏｋ，Ｒａｄｉｏ  Ｗａｖｅ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｒａｄｉｏ  Ｒｅｌａｙ  Ｌｅａｇｕｅ（１９９１）２３−１）。地球の表面から約１００Ｋｍから５００ＫｍのＦ２層は、その年の季節、緯度、時間、太陽の明るさに応じて、恒久的に安定しており、即ち、それは一日２４時間全体に亘って存在する。Ｄ層及びＥ層は、地球の大気の太陽放射の間のみに存在する傾向にあり、即ち夜間では存在しない。
【０００４】
ほぼ一世紀の間、地球の電離層の表面上に存在する電磁波は、地球表面から一点で、即ちゼロ次元で測定されて記録され、イオンゾンデデータを生成している（ｈｔｔｐ：／／ｅｎ．ｍ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｉｏｎｏｓｏｎｄｅ）。
電離層上に検出された表面波は、太陽、地磁気及び気象学的事象、例えば〜１１年周期の太陽黒点活動、太陽の周りの地球の毎年の自転、地球及び短周期の季節変化、大規模な大気攪乱事象、例えば台風、火山、地震などに起因する大気擾乱により形成される。電離層の表面上の波の大部分は、気象現象によるものと考えられている（図２、Ｈ．Ｒｉｓｈｂｅｔｈ、”Ｆ−ｒｅｇｉｏｎ  ｌｉｎｋｓ  ｗｉｔｈ  ｔｈｅ  ｌｏｗｅｒ  ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ？”  Ｊ．Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ  ａｎｄ  Ｓｏｌａｒ−Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．６８，Ｉｓｓｕｅ  ３−５（２００６）  ４６９−４７８．）。表面波は、多くの発生源を有し、移動し、広範囲の周波数及び振幅を有するように見える。
【０００５】
ビームの振幅又は位相を検出することによって物体に関する情報を得るための放射ビームの使用は、科学的目的のためによく知られている。搬送波としても知られている放射線ビームは、物体の情報を搬送することができる。例えば、物体を通過し、又は物体から反射するビームの位相情報は、物体の温度、圧力、組成、磁場又は電場に関する情報を提供することができ、振幅測定は物体の不透明度又は密度に関する情報を提供することができる。ビームは、放射の波からなり、ここで、波Φは、振幅Ａと位相θの両方を持って表すことができ、数学的に以下のように表される。
Φ=Ａｅｘｐ（θ）                    １）
この方法から得られる情報は、ビーム波の振幅を検出しているのか、ビーム波の振幅と位相の両方を検出しているのかに依存する。この方法がビームの振幅のみを測定する場合、対象物内の密度差のみが報告される。これは、物体の温度、圧力、組成、磁場又は電場などの情報を提供しないため、技術の限界である。この方法がビームの位相を測定する場合、物体の表面に存在する電磁波などの物体情報を明らかにすることができる。この方法が電波受信器又はアンテナの２次元配列を含む検出器を使用する場合、対象物の表面上に存在する波の２次元位相画像、即ち電離層の表面を明らかにすることができる。位相画像内で生成された位相シフトから、電離層の表面上に存在する波の振幅、周波数及び方向（いわゆる波動ベクトル）の測定が可能になる。
【０００６】
典型的には約３メガヘルツ（ＭＨｚ）から約７ＭＨｚ及び１０ＭＨｚに達する電波は、地球の表面から射出されるとき、上空波と称され、地球の電離層で反射して地球に戻ることができる。電離層からの電波の反射は、一般に、送信及び通信目的のために電波の到達範囲を拡大するために使用される（Ｔｈｅ  ＡＲＲＬ  Ａｎｔｅｎｎａ  Ｂｏｏｋ，Ｒａｄｉｏ  Ｗａｖｅ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｒａｄｉｏ  Ｒｅｌａｙ  Ｌｅａｇｕｅ（１９９１）２３−１）。上空波は、１つのアンテナを使用してイオノゾンデを生成するためにも使用されている。この方法は位相情報を得るために使用することはできない。
【０００７】
必要なのは、気候、火災、火山などの変化によって引き起こされるものを含む大気の擾乱及び状態を追跡するために、電離圏の１つ以上の層の下面の波を正確に画像化することができるシステムである。大気条件又は擾乱の位置を特定することができると有利である。電離圏の表面波に関する正確なデータを得る方法があれば更に有利である。
【０００８】
概要：
本技術は、気候、火災、火山などの変化によって引き起こされるものを含む大気の擾乱及び状態を追跡するために、電離圏の各層の表面上の波を正確に画像化することができるシステムである。これは、大気状態又は擾乱の場所を提供することができる。電離圏の表面波に関する正確なデータを得る方法も提供される。
【０００９】
一実施形態では、コンピュータデバイスと共に使用するソフトウェア無線（ＳＤＲ）地球大気撮像システムが提供される。このシステムは、少なくとも１つの撮像装置を備え、この撮像装置は、上空波信号を射出するように構成された電波エミッタと、；電波検出器であり、電波受信器の一次元配列又は電波受信器の二次元配列の何れかを含み、搬送波信号を受信するように構成された電波検出器と、；ベクトルネットワークアナライザであり、グローバルナビゲーション衛星システム（ＧＮＳＳ）と少なくとも１つのタイマとを含み、このベクトルネットワークアナライザは、第１のワイヤを介して電波エミッタと電気的に接続され、第２のワイヤを介して電波検出器と電気的に接続され、又は電波エミッタは、上空波信号が射出されると、ベクトルネットワークアナライザに第１の基準波を射出するように構成され、電波検出器は、搬送波信号を受信すると、ベクトルネットワークアナライザに第２の基準波を射出するように構成されたベクトルネットワークアナライザと、；ベクトルネットワークアナライザと電子通信するソフトウェア無線とを含む。
【００１０】
このシステムにおいては、電波エミッタと電波検出器とは、第１のワイヤと第２のワイヤとをそれぞれ介してベクトルネットワークアナライザと通信することができる。
【００１１】
このシステムにおいては、電波検出器は、電波受信器の２次元配列とすることができる。
【００１２】
このシステムにおいては、ベクトルネットワークアナライザはクアドラチュアプロセッサを含むことができる。
【００１３】
このシステムにおいては、撮像装置はローパスフィルタを含んでもよい。
【００１４】
このシステムは更に、コンピュータデバイスを備えてもよく、このコンピュータデバイスは、撮像装置のベクトルネットワークアナライザと電子通信する。
【００１５】
このシステムにおいては、コンピュータデバイスはメモリ及びプロセッサを含んでもよく、そのメモリは位相シフトを計算するための命令を含む。
【００１６】
このシステムにおいては、メモリは、位相シフトに基づいて屈折率を計算するための命令を更に含んでもよい。
【００１７】
このシステムにおいては、電波エミッタは地上波を射出するように構成されてもよく、電波検出器は地上波を検出するように構成されている。
【００１８】
このシステムにおいては、少なくとも２つの撮像装置が存在し得る。
【００１９】
このシステムにおいては、電波エミッタは、上空波信号を射出するときに第１の基準波をベクトルネットワークアナライザに射出するように構成されてもよく、電波検出器は、搬送波信号を受信するとベクトルネットワークアナライザに第２の基準波を射出するように構成されている。
【００２０】
別の実施形態では、特定区域で大気攪乱事象を検出する方法が提供され、この方法は、撮像装置を利用することを含み、撮像装置は、上空波信号を射出するように構成された電波エミッタと、；電波検出器であり、電波受信器の一次元配列又は電波受信器の二次元配列の何れかを含み、搬送波信号を受信するように構成された電波検出器と、；ベクトルネットワークアナライザであり、ＧＮＳＳ及び少なくとも１つのタイマを含み、このベクトルネットワークアナライザは、第１のワイヤを介して電波エミッタと電気的に接続され、且つ第２のワイヤを介して電波検出器と電気的に接続され、又は電波エミッタは上空波信号を射出したときにベクトルネットワークアナライザへ第１の基準波を射出するように構成され、電波検出器は搬送波信号を受信したときにベクトルネットワークアナライザへ第２の基準波を射出するように構成されたベクトルネットワークアナライザと、；ベクトルネットワークアナライザと電子的に通信するソフトウェア無線とを含み、この方法は電波エミッタから電離圏へ電波を射出し、これに付随して第１の時間信号を送り、電離圏から反射した搬送波を電波検出器内に収納された電波受信器の１次元又は２次元配列で検出し、これに付随して第２の時間信号を送り、第１の時間信号と第２の時間信号との間の時間差を判定し、その時間差に基づいて、射出された電波と搬送波との間の位相差をベクトルネットワークアナライザにより判定することを含む。
【００２１】
この方法は、少なくとも２つの撮像装置間の三角測量を使用して大気攪乱事象を位置特定することを更に含むことができる。
【００２２】
この方法は、大気攪乱事象を定量化するために位相シフトを分析することを更に含むことができる。
【００２３】
この方法は、大気攪乱事象の位置に関する報告を行うことを更に含むことができる。
【００２４】
別の実施形態では、ソフトウェア無線（ＳＤＲ）地球大気撮像システムが提供され、このシステムは少なくとも１つの撮像装置を含み、この撮像装置は、上空波信号及び地上波信号を射出するように構成された電波エミッタと、；電波検出器であり、電波受信器の二次元配列を含み、搬送波信号を受信するように構成された電波検出器と、；ＧＮＳＳ及び少なくとも１つの同期クロックを含むベクトルネットワークアナライザであり、第１のワイヤを介して電波エミッタと電気的に通信し、且つ第２のワイヤを介して電波検出器と電気的に通信するベクトルネットワークアナライザと、；ベクトルネットワークアナライザと電子通信するソフトウェア無線と、；ベクトルネットワークアナライザと電子通信するコンピュータデバイスとを含む。
【００２５】
このシステムは、２つ以上の撮像装置を備えることができる。
【００２６】
このシステムにおいては、ベクトルネットワークアナライザはクワドラチュアプロセッサを更に含むことができる。
【００２７】
更に別の実施形態では、コンピュータデバイスと共に使用するためにソフトウェア無線（ＳＤＲ）地球大気撮像システムが提供され、このシステムは、少なくとも１つの撮像装置を含み、この撮像装置は、上空波信号を射出するように構成された電波エミッタと、；電波検出器であり、電波受信器の一次元配列又は電波受信器の二次元配列の何れかを含み、電波検出器は搬送波信号を受信するように構成され、；ベクトルネットワークアナライザであり、ＧＮＳＳ及びクワドラチュアプロセッサを含み、第１のワイヤを介して電波エミッタと第２のワイヤを介して電波検出器と電気的に接続されたベクトルネットワークアナライザと、；ベクトルネットワークアナライザと電子通信するソフトウェア無線とを含む。
【００２８】
更に別の実施形態では、特定区域で大気攪乱事象を検出する方法が提供され、この方法は、直上に記載された撮像システムを利用することを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、２つのフーリエピーク及びそれらの波動ベクトル（矢印＋ベクトルｋ及び−ベクトルｋ）を示すフーリエ画像に数学的に処理された地球大気攪乱事象に起因するＳＤＲ地球大気画像によって生成された位相画像のシミュレーションを示し、表面波の周波数及び波動ベクトルを表す。
【図２】図２は、本技術のソフトウェア無線地球大気撮像装置である。
【図３】図３は、図１のソフトウェア無線地球大気撮像装置の代替的実施形態である。
【図４】図４は、図１のソフトウェア無線地球大気撮像装置の別の実施形態である。
【図５】図５は、図１のソフトウェア無線地球大気撮像装置の別の実施形態である。
【図６】図６は、図１のソフトウェア無線地球大気撮像装置に対する代替的アプローチの実施形態である。
【図７】図７は、図６のソフトウェア無線地球大気撮像装置の代替的実施形態である。
【図８】図８は、図７のソフトウェア無線地球大気撮像装置の別の実施形態である。
【図９】図９は、図７のソフトウェア無線地球大気撮像装置の別の実施形態である。
【図１０】図１０は、三角測量による地球大気攪乱事象の位置を決定するために使用される２つのＳＤＲ地球大気撮像装置によって生成された２つの波動ベクトルを示す。
【図１１】図１１は、地球大気の屈折率を決定するために使用されるゼロ位相シフト情報を取得するためにフーリエ画像に適用されるローパスフィルタの使用を示す。
【図１２】図１２は、気象観測用バルーンによって測定された２０１１年６月６日のＰｏｒｔ  Ｈａｒｄｙ及びＱｕｉｌｌａｙｕｔｅ上の地球大気の屈折率を示すグラフである。
【図１３】図１３は、式４における２つの指数関数の適用を示す図２０の対数プロットである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
説明：
別に明記されない限り、下記の解釈の規則が本明細書（発明の詳細な説明、特許請求の範囲及び図面）に適用される。（ａ）本明細書で使用される全ての単語は、状況が必要とするような性別又は数（単数又は複数）であると解釈されるものとする。（ｂ）明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される単数形の用語「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上他に明確に指示されない限り、複数形を含む。（c）引用された範囲又は値に適用される先行する用語「約」は、測定方法から当該技術分野において既知又は予想される範囲又は値における偏差内の近似を示す。（ｄ）「本明細書」、「これによって」、「これに関して」、「ここに」、「この前に」、及び「以後」という単語及び同様の趣旨の単語は、この明細書全体を参照するものであり、特に指定しない限り、任意の特定のパラグラフ、請求項又は他の区分を指すものではない。（ｅ）記述的な見出しは便宜上のものであり、明細書の如何なる部分の意味又は構成を支配又はこれらに影響を及ぼすものではない。（ｆ）「又は（ｏｒ）」及び「任意の（ａｎｙ）」は排他的ではなく、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」及び「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は限定的ではない。更に、「備える」、「有する」、「含む」及び「含有する」という用語は、他に明記しない限り、オープンエンドの用語（即ち、「含むが、これに限定されない」を意味する）を構成する。記述的な支持を提供するのに必要な限度まで、添付の各特許請求の範囲の主題及び／又は文章は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００３１】
本明細書における値の範囲の列挙は、本明細書中に別段の指示がない限り、範囲内の各別個の値を個々に参照する簡略方法として役立つことを意図しており、それぞれの個別値は本明細書に個別に列挙されているかのように組み込まれている。特定の範囲の値が提供される場合、各々の介在値は、その範囲及び他の記載された又はその記載された範囲の上限と下限との間に明示されていない限り、下限の単位の１０分の１まで含まれる。全てのより小さなサブ範囲も含まれている。これらのより小さい範囲の上限及び下限も、記載された範囲内の任意の特定の除外された限界を条件として、そこに含まれる。
【００３２】
他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、関連技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載したものと同様又は均等な任意の方法及び材料もここに使用することができるが、ここでは許容可能な方法及び材料を記載する。
【００３３】
ＳＤＲ地球大気撮像装置は、イオノグラムで観測された地球の電離層の表面に存在する波の振幅（強度）と位相（周波数と波動ベクトル）を測定する（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｇｄｃ．ｎｏａａ．ｇｏｖ／ｓｔｐ／ｉｏｎｏ／ｉｏｎｏｇｒａｍ．ｈｔｍｌ）。
【００３４】
電離圏の各層は、地球表面から異なる高さを持っている。各層（Ｄ層、Ｅ層及びＦ［Ｆ１及びＦ２］層）の下面に異なる反射電波周波数を用いることにより、３つの独立した方程式が導かれ、これは以下の方程式４と同じであるが、異なる定数を有する。これらの方程式を解くことにより、温度、圧力及び組成情報を提供することができる。下層（日中のＤ層、夜のＥ層）の下面が図には例示されていることに留意されたい。どの層の下面も測定できる。
【００３５】
電離層の表面上に存在する波の振幅は、波を生成した大気擾乱の大きさ又はパワーを表す。波の周波数は、大気攪乱事象のエネルギーを表す。波動ベクトルは、大気攪乱事象によって生成された波の移動方向を与える。２つ以上の分離されたＳＤＲ地球大気撮像装置による２つ以上の波動ベクトルの測定は、立体的な投影を使用して地球大気攪乱事象の位置を決定するために使用することができる。
【００３６】
図１に示すように、大気攪乱事象２００は、電離層内に表面波２０２を生成する。これらの表面波は、電離層の大気攪乱事象を表す（大気攪乱事象により引き起こされた）可能性がある。大気攪乱事象は、ハリケーン、台風、竜巻などの嵐のようなものである。また、北極と南極で地球のオーロラを測定するのにも使用できる。表面波の振幅は、大気攪乱事象のパワーを表すことができる。表面波の周波数は、この大気攪乱事象のエネルギーを表すことができる。波動ベクトルは、大気攪乱事象の進行方向を表すことができる。
【００３７】
全体的に１０で示されるソフトウェア無線地球大気撮像装置が図２に示されている。電波エミッタ１２は、電離層若しくは電離圏に衝突する上空波信号１４を射出する。上空波信号１４は、約０．３ＭＨｚ程度に低く、より一般的には約１ＭＨｚ乃至約１０ＭＨｚである。上空波信号１４は、搬送波信号１６として地上に跳ね返る。搬送波信号１６は、電波検出器２０、より具体的には、電波受信器の二次元配列２３又はアンテナの二次元配列の何れかを有する二次元配列検出器２０によって傍受される。ベクトルネットワークアナライザ２２はソフトウェア無線２５（ｈｔｔｐ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｓｏｆｔｗａｒｅ−ｄｅｆｉｎｅｄ＿ｒａｄｉｏ＃／ｍｅｄｉａ／Ｆｉｌｅ：ＳＤＲ＿ｅｔ＿ＷＦ．ｓｖｇ）（ＳＤＲ）によって制御される。ＳＤＲ２５は、ベクトルネットワークアナライザからデータを取得し、その獲得及びデータ操作を制御する。ベクトルネットワークアナライザは、電波エミッタ１２とベクトルネットワークアナライザ２２との間の第１のワイヤ３０により電波エミッタ１２及び検出器２０に電気的に接続され、検出器２０とベクトルネットワークアナライザ２２との間の第２のワイヤ３２により検出器２０に電気的に接続される。ベクトルネットワークアナライザ２２は、〜１０ｅｘｐ（−１１）秒の時間分解能を有する原子時計３６などの同期クロックを備えたＧＮＳＳ（全地球測位システム）３４を含む。ベクトルネットワークアナライザ２２は、好ましくは検出器２０と多重化される。これは検出器の各アンテナがネットワークベクトルアナライザによって実行される位相及び振幅測定値を有する必要があるためである。これは迅速に連続的に行うこともできるが、多重化によるのが最適である。
【００３８】
図２に示す一実施形態では、ベクトルネットワークアナライザ２２は、上空波信号１４の振幅及び位相を測定し、並びに各受信器２１又はアンテナにおける搬送波信号１６の振幅及び位相を測定するために使用される。電波エミッタ１２からの信号は、第１のワイヤ３０を介して送信され、上空波信号１４が送信された時間を示す。電波検出器２０からの信号は、第２のワイヤを介して送信され、搬送波信号１６がいつ到達するかを示す。従って、これは、上空波信号１４が検出器２０の各受信器２１に到達するのに要する時間を決定するための時間基準を提供する。
【００３９】
図３に示す代替的実施形態では、ベクトルネットワークアナライザ２２は、上空波信号１４の振幅及び位相を測定し、並びに各受信器２１又はアンテナにおける搬送波信号１６の振幅及び位相を測定するために使用される。電波エミッタ１２は、第１のワイヤ３０及び第２のワイヤ３２を用いて時間基準を決定するのではなく、地上波信号２６及び上空波信号１４を検出器２０に送信する。地上波信号２６は空を通過する電波、即ち上空波信号１４と同時に射出され、電波エミッタ１２から検出器２０の各受信器２１までに要する時間を決定するのに用いることができる。地上波信号２６は検出器２０に直接伝わるが、上空波信号１４は電離層まで移動し、その後に検出器２０に戻る。ＧＮＳＳ３４を使用して地上波信号２６による移動された距離を知ることにより、地上波信号２６を、上空波信号１４が検出器２０の各受信器２１に到達するのに要する時間を決定するための時間基準として用いることができる。搬送波信号１６が検出器２０の各受信器２１に到達する時間の差は、各受信器間の位相シフト又は位相差である。全ての受信器２１によって測定された位相シフトは、コンピュータ５０によって、電離層の表面上の波の位相画像を作成するために使用することができる。
【００４０】
図４に示す更に別の実施形態では、ベクトルネットワークアナライザ２２は、上空波信号１４及び地上波信号２６の振幅及び位相、並びに各受信器又はアンテナにおける搬送波信号１６の振幅及び位相を測定するために使用される。ベクトルネットワークアナライザ２２は、クワドラチュアプロセッサ３８を含み、これは搬送波信号１６及び上空波信号１４の角回転を測定する。回転の差は、位相シフトの尺度である。再び、全ての受信器２１によって測定された位相シフトは、コンピュータ５０によって使用されて、電離層の表面上の波の位相画像を作成することができる。位相シフト情報は、ベクトルネットワークアナライザ２２と電子通信するコンピュータデバイス５０に送られる。コンピュータデバイス５０は、データを記録及び分析して、検出器２０の受信器２１の全ての測定値から作成された位相画像を生成する。この位相画像は、電離層の表面波の情報を包含する。上述したように、ベクトルネットワークアナライザ２２は、ＧＮＳＳ３４と、少なくとも１つのタイマ３６とを含む。これは、ソフトウェア無線２５によって制御される。
【００４１】
更に別の実施形態では、図４にも示されているように、直交法と時間法との両方を含む複合アプローチがとられる。ベクトルネットワークアナライザ２２は、ＧＮＳＳ３４と、少なくとも１つのタイマ３６とを含む。電波エミッタ１２は、上空波信号１４を射出すると、射出時間及び直交位相情報を含む第１の基準電気信号６０をベクトルネットワークアナライザ２２に送信するように構成され、電波検出器２０は搬送波信号１６を受信すると、検出時間及び直交位相情報を含む第２の電気信号６２をベクトルネットワークアナライザ２２に送信するように構成されている。ソフトウェア無線２５は、ベクトルネットワークアナライザ２２と電子通信し、それを制御する。位相画像は、電離層の表面波の情報を含む。
【００４２】
図５に示す更に別の実施形態では、ベクトルネットワークアナライザ２２は、上空波信号１４及び地上波信号２６の振幅及び位相並びに各受信器又はアンテナにおける搬送波信号１６の振幅及び位相を測定するために使用される。ワイヤ３０、３２がベクトルネットワークアナライザ２２と電波エミッタ１２及び検出器２０の各々の間に接続を提供するために使用されるのではなく、むしろ電波が使用される。この実施形態では、上空波信号１４が送信されたとき、電波エミッタ１２からベクトルネットワークアナライザ２２に上空波信号１４が送信された時間を示す第１の基準電波４０が射出され、第２の基準電波４２が電波検出器２０からベクトルネットワークアナライザ２２に送信され、これは搬送波信号１６がいつ到着したかを示す。ベクトルネットワークアナライザ２２は、受信器４４を含む。従って、これは、上空波信号１４が検出器２０の各受信器２１に到達するのに要する時間を決定するための時間基準を提供する。
【００４３】
コンピュータデバイス５０は、イメージングソフトウェアを使用して、電離層の表面波の情報を含む位相画像を生成する。位相画像は、表面波の振幅、周波数及び波動ベクトルなどの電離層の表面波に関する情報を提供する。
【００４４】
異なる振幅、周波数及び波動ベクトルを有する多くの波源によって生成される多くの波からなる位相画像の複雑さは、フーリエ変換（又は、自己相関法のような科学技術で知られている他の多くの数学的方法）をフーリエ画像を生成する位相画像に適用することによって、その複雑さが低減される。図１に示すように、フーリエ画像は、波の周波数及び波動ベクトルに従ってフーリエ画像内に分布する多くのフーリエピーク（位相強度ピーク）からなる。フーリエピークの振幅は、波のパワーを表す。フーリエピークの頻度は、波のエネルギーを表す。フーリエピークの波動ベクトルは、波が進行している方向を表す。
【００４５】
搬送波信号１６は、それらが反射した電離層の情報を搬送する。搬送波信号１６によって搬送される情報は、電離層上に存在する表面波に関する情報を含む。電離層の表面波は、それ自体の振幅及び位相を有する。検出器２０を使用することにより、対象物の表面上に存在する波の２次元位相画像が明らかになり、それらの振幅、周波数及び波動ベクトルの測定が可能になる。
【００４６】
図６に示す代替的アプローチでは、電波エミッタ１１２は、ソフトウェア無線地球大気撮像装置（全体的に１００で示す）の検出器１２０に配置される。電波エミッタ１１２は、電離層若しくは電離圏に衝突する上空波信号１１４を射出する。この波は、搬送波信号１１６として地球に跳ね返る。搬送波信号１１６は、電波検出器１２０（より具体的には、電波受信器の２次元配列１２３又はアンテナの２次元配列の何れかを有する２次元配列検出器１２０）によって傍受される。ベクトルネットワークアナライザ１２２は、ソフトウェア無線１２５（ｈｔｔｐ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｓｏｆｔｗａｒｅ−ｄｅｆｉｎｅｄ＿ｒａｄｉｏ＃／ｍｅｄｉａ／Ｆｉｌｅ：ＳＤＲ＿ｅｔ＿ＷＦ．ｓｖｇ）により制御される。ＳＤＲ１２５は、ベクトルネットワークアナライザからデータを取得し、その獲得及びデータ操作を制御する。ベクトルネットワークアナライザは、電波エミッタ１１２とベクトルネットワークアナライザ１２２との間の第１のワイヤ１３０により電波エミッタ１１２及び検出器１２０に電気的に接続され、検出器１２０とベクトルネットワークアナライザ１２２との間の第２のワイヤ１３２により検出器１２０に電気的に接続されている。ベクトルネットワークアナライザ１２２は、〜１０ｅｘｐ（−１１）秒の時間分解能を有する原子時計１３６などの同期クロックを備えたＧＮＳＳ（全地球測位システム）１３４を含む。ベクトルネットワークアナライザ１２２は、上空波信号１１４の振幅及び位相、並びに各受信器１２１又はアンテナにおける搬送波信号１１６の振幅及び位相を測定するために使用される。
【００４７】
代替的アプローチの一実施形態では、ベクトルネットワークアナライザ１２２は、上空波信号１１４の振幅及び位相、並びに各受信器１２１又はアンテナにおける搬送波信号１１６の振幅及び位相を測定するために使用される。電波エミッタ１１２からの信号は、第１のワイヤ１３０を介して送信され、上空波信号１１４が送信される時間を示す。電波検出器１２０からの信号は、第２のワイヤを介して送信され、搬送波信号１１６がいつ到着するかを示す。従って、これは、上空波信号１１４が検出器１２０の各受信器１２１に到達するのに要する時間を決定するための時間基準を提供する。
【００４８】
図７に示す代替的なアプローチの別の実施形態では、ベクトルネットワークアナライザ１２２は、上空波信号１１４の振幅及び位相、並びに各受信器１２１又はアンテナにおける搬送波信号１１６の振幅及び位相を測定するために使用される。電波エミッタ１１２は、時間基準を決定するために第１のワイヤ１３０及び第２のワイヤ１３２を用いるのではなく、地上波信号１２６及び上空波信号１１４を検出器１２０に送信する。地上波信号１２６は、空を通過する電波、即ち上空波信号１１４と同時に射出されて、電波エミッタ１１２から検出器１２０の各受信器１２１までに要する時間を決定するために使用することができる。地上波信号１２６は直接に検出器１２０へ移動するが、上空波信号１１４は電離層まで移動して、その後に検出器１２０に戻る。ＧＮＳＳ１３４を使用して地上波信号１２６による移動した距離を知ることにより、地上波信号１２６を、上空波信号１１４が検出器１２０の各受信器１２１に到達するのに要する時間を決定するための時間基準として使用することができる。搬送波信号１１６が検出器１２０の各受信器１２１に到達する時間の差は、各受信器間の位相シフト又は位相差である。全ての受信器１２１によって測定された位相シフトは、コンピュータ１５０によって使用されて、電離層の表面上の波の位相画像を作成することができる。
【００４９】
図８に示す代替的アプローチの更に別の実施形態では、ベクトルネットワークアナライザ１２２は、上空波信号１１４及び地上波信号１２６の振幅及び位相、並びに各受信器又はアンテナにおける搬送波信号１１６の振幅及び位相を測定するために使用される。ベクトルネットワークアナライザ１２２は、搬送波信号１１６及び上空波信号１１４の角回転を測定するクアドラチュアプロセッサ１３８を含む。回転の差は、位相シフトの尺度である。再び、全ての受信器１２１によって測定された位相シフトは、コンピュータ１５０によって使用されて、電離層の表面上の波の位相画像を作成することができる。位相シフト情報は、ベクトルネットワークアナライザ１２２と電子通信するコンピュータデバイス１５０に送られる。コンピュータデバイス１５０は、データを記録及び分析して、検出器１２０の受信器１２１の全ての測定値から作成された位相画像を生成する。位相画像は、電離層の表面波の情報を含む。
【００５０】
図９に示す代替的アプローチの更に別の実施形態では、ベクトルネットワークアナライザ１２２は、上空波信号１１４及び地上波信号１２６の振幅及び位相、並びに各受信器又はアンテナにおける搬送波信号１１６の振幅及び位相を測定するために使用される。ワイヤ１３０、１３２が、ベクトルネットワークアナライザ１２２と電波エミッタ１１２及び検出器１２０の各々との間に接続を提供するために使用されるのではなく、むしろ電波が使用される。この実施形態では、上空波信号１１４が送信されると、上空波信号１１４が送信された時間を示す第１の基準電波１４０が電波エミッタ１１２からベクトルネットワークアナライザ１２２に射出され、第２の基準搬送波信号１１６が到着したことを示す電波１４２が電波検出器１２０から送信される。ベクトルネットワークアナライザ１２２は、無線受信器１４４を含む。従って、これは、上空波信号１１４が検出器１２０の各受信器１２１に到達するのに要する時間を決定するための時間基準を提供する。
【００５１】
多くが存在するイメージングソフトウェアを使用するコンピュータデバイス１５０は、電離層の表面波の情報を含む位相画像を生成する。位相画像は、表面波の振幅、周波数及び波動ベクトルなどの電離層の表面波に関する情報を提供する。
【００５２】
図１を参照して上述したように、異なる振幅、周波数及び波動ベクトルを有する多くの波源によって生成された多くの波からなる位相画像の複雑さは、フーリエ変換（又は科学技術で知られる自己相関法などの他の多くの数学的方法）を位相画像に適用してフーリエ画像を生成することにより、その複雑さが低減される。
【００５３】
代替的実施形態では、電波受信器の１次元配列又は電波アンテナの一次元配列が１次元配列検出器に使用される。
【００５４】
図１０に示すように、２つのＳＤＲ地球大気撮像装置１０は、大気攪乱事象に関する情報を提供する電波信号１４、１６、１１４、１１６を送受信する。２つの別々の場所に配置された２つのＳＤＲ地球大気撮像装置を使用することにより、２つのＳＤＲ地球大気撮像装置に到達する同じ表面波（擾乱によって電離圏で生成された波）の２つの波動ベクトルから大気攪乱事象の正確な位置を波動ベクトルの三角測量を用いることにより決定できる。同様に、３番目のＳＤＲ地球大気撮像装置を配置することにより、最初の２つのＳＤＲ地球大気撮像装置間に存在する可能性のある何らかの大気攪乱事象のみならず、大気攪乱事象の位置をより正確に提供する。電離圏の表面上の波の大部分は気象的な攪乱事象によるものであるため、ＳＤＲ−地球大気撮像装置を多数の場所に設置することにより、広範囲及び可能な限り全世界的に亘って地球大気を監視するのに役立てるように用いることができる。
【００５５】
電波エミッタは、搬送波信号１６、１１６として跳ね返る上空波信号１４、１１４を射出する。ベクトルネットワークアナライザ２２、１２２は、射出された上空波信号１４、１１４の位相、並びに検出器２０、１２０の各受信器２１、２３で検出された搬送波信号１６、１１６の位相を測定する。検出器２０、１２０の各受信器２１、２３に到達する上空波信号１４、１１４の位相に対する搬送波信号１６、１１６の位相の差、即ち各受信器間２１、２３の位相シフト又は位相差は、図１に示すように、位相画像２１０を生成するために用いられる。次いで、位相画像２１０は、フーリエ変換２１２（及び科学技術で知られている他の多くの数学的方法）を用いて数学的に解析され、これらの表面波の特性が得られる。電離層の表面上の波の振幅の二乗から、この波のパワーを決定することができる。電離層の表面に存在する波の位相から、電離層の表面に存在する波の周波数及び波動ベクトルを決定することができる。
【００５６】
上空波信号１４、１１４が地球の大気を１００ｋｍ直進して電離層に到着し、次いで搬送波信号１６、１１６として反射して受信器２１、２３に真っ直ぐ戻るのに要する時間は〜６．６７×１０ｅｘｐ（−４）秒である。ＧＮＳＳタイマを使用する地球大気撮像装置１０の時間測定分解能は〜１０ｅｘｐ（−１１）秒である。この能力を利用すれば、検出器２０、１２０の各受信器２１、１２１に到達する上空波の位相差又は位相シフトを測定して高分解能位相画像を生成するための優れた時間分解能がある。高分解能位相は、位相画像として見られるイオノゾンデデータ（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｎｇｄｅ．ｎｏａａ．ｇｏｖ／ｓｔｐ／ｉｏｎｏ／ｉｏｎｏｇｒａｍ．ｈｔｍｌ）で観察されるように、〜２Ｈｚから〜１０Ｈｚの範囲の周波数を有するように見える地球の電離層の表面に存在する波を位相画像として見ることができるようにする。ＳＤＲ地球大気撮像装置１０は、これらの波を現在の技術で可能なよりもはるかに広い周波数範囲に亘って見ることを可能にする。
【００５７】
ＳＤＲ地球大気撮像装置は局所的に測定するが、電離層の表面上の波は、地域的及び世界的に遠距離から到来することができ、局所的測定から離れて発生する事象に影響を及ぼす大気の情報を提供する。世界中の多くの場所に設置された数多くのＳＤＲ地球大気撮像装置は、地球大気攪乱事象の世界的な測定を可能にする。
【００５８】
図１１に示すように、ローパスフィルタ２６０は、ゼロ位相シフト情報の強度又は振幅を用いて、地球の大気の屈折率を監視することを可能にする。ローパスフィルタは、地球の電離層の表面上の波による振幅と位相を除去する。物理的には、ローパスフィルタは、フーリエ画像内の０，０周波数点周辺の位相情報のみを分析目的で使用できるようにする開口である。数学的には、ハミング窓又は他の多くのタイプの画像フィルタのうちの１つを使用して、位相画像内の０，０点付近の振幅情報を除く全ての強度が除去される。ローパスフィルタによる電離層の表面波情報の除去は、電離層上の波によって位相シフトされていない情報のみを残す。次に、ローパスフィルタリングされた情報（ゼロ位相シフト情報）を使用して、地球大気の温度、圧力及び組成に依存する地球大気の屈折率の変化を監視することができる。
【００５９】
例１：
図１２に示すように、地球大気の屈折率の従来技術による測定では、地球の表面から３０，０００ｍを超える高高度まで指数関数的に減少することを示している。地上から〜３５，０００メートルへの指数関数的に変化する屈折率は、１度に１つの高度で１つの位置で１つの測定を提供する大気バルーンを使用して毎日測定されている。バルーンデータからは、地球の大気の上層、即ち約１２,０００ｍ乃至約３５,０００ｍ、の屈折率は長期間に亘って比較的安定である。地球大気の下層、即ち０ｍ乃至１２，０００ｍの屈折率は、地球大気の温度、圧力及び組成に影響する変化する天候のような絶えず変化する地球大気攪乱事象のために、時間と共に変化して不安定である。
【００６０】
地球大気の下層における屈折率の変化を決定するために、この層の上下の境界条件を知る必要がある。下層地球大気の上部（約１２，０００ｍ高度）に存在する境界条件は大気バルーンデータから決定される。下層地球大気の底部に存在する境界条件は、地球の表面から容易に測定される。
【００６１】
ＳＤＲ地球大気撮像装置は、このバルーンデータを使用して、数式４における定数の幾つかを解くことができ、電波を使用して気象及び他の大気攪乱事象（例えば、都市の大気汚染又は森林火災からの煙）による下層大気の変化を連続的に測定ひいては監視することが可能になる。ＳＤＲ地球大気撮像装置は、図１３に示す式４を使用して高度に対する屈折率の指数依存性を測定することによって別の手段を提供し、気象及び大気攪乱事象による屈折率の小さな変化を「継続的に」測定することができ、これはバルーンによって継続的に測定することはできない。従って、高度の関数としての屈折率及び電離層上の表面波を測定する信号の両方は、ＳＤＲを用いて測定することができる。ＳＤＲを使用して、表面波の位相画像は、表面波の振幅、周波数及び波動ベクトルの測定値を提供する。位相画像が作成されたあとは、フーリエ変換によるその解析は、表面波によって影響を受けなかった又は位相シフトしなかった電波についての情報も提供する。フーリエ画像（図１１）へのローパスフィルタを使用することによって得られるこれらの影響を受けない電波を用いて、地球の大気の屈折率を決定することができる。検出器の全てのアンテナは、ローパスフィルタリングされた位相情報の生成に寄与する。開口又はローパスフィルタを通過する位相情報は、電離層から反射するときにはあまりシフトされていないので、この情報はフーリエ画像の中心、即ち０，０点に近いままであるが、大気の屈折率とその変化に関する必要な情報を与えるように少しずつ位相シフトしている。電波と強い相互作用を有する電離層の表面上の波は、ローパスフィルタの外側で位相シフトを有するので、送信されず、０，０点の周りの位相情報の分析から除外される。
【００６２】
屈折率は高度で指数関数的に変化するので、数学的に解くことができ、式４が得られる。
【００６３】
図１２（高度の関数としての屈折率）から、屈折率は、高高度で〜１．０００１５から低高度又は地上レベルで〜１．０００３３に変化する。低高度での屈折率の変動は±０．００００１のオーダーで変化し、より大きな変動の幾つかは０．００００５程度に大きい。これらの変動は、大気の温度、圧力及び組成の変化を表す。屈折率のこれらの小さな変動を測定する能力は、我々の屈折率を測定する能力又は屈折率測定の分解能Δｎに依存し、これは以下のように与えられる。
Δｎ＝（ｃ／ｈ）Δｔ
ここでｃは光速、ｈは移動距離、ΔｔはＧＮＳＳタイマ（１０ｅｘｐ（−１１）秒）を使用して測定された精度である。ｈ＝２００，０００メートル（電離層の表面まで１００，０００ｍ、地球表面へ戻るまで１００，０００ｍ）の場合、光速ｃ＝３×１０ｅｘｐ（８）ｍ／秒及びΔｔ＝１０ｅｘｐ（−１１）秒であり、屈折率の変化を測定する際の分解能は、１．５×１０ｅｘｐ（−８）又は０．０００００００１５であり、屈折率の小さな変動を測定することができる。
【００６４】
本技術では、下層地球大気における屈折率の位相シフト又は変化は、地表から電離層に移動する電波（上空波）と再び地表へ跳ね返る電波（搬送波）の移動時間Δｔから決定することができる。その数学的表現は、以下の３つの式によって与えられる。
【数１】
2019523880.tif 000003
ここで、
Δｔは電波の移動時間
ｘは光路長
ｃは光速
ｎは屈折率
ｎ（Ｌ）は、移動距離又は高度の関数としての屈折率
Ｌは移動距離
ｈは電離層の高度
ｈ１は、上層大気中の屈折率が比較的一定である高度（〜１２，０００ｍ）
Ｃ１及びＣ２は、大気バルーンデータから決定された指数関数的に変化する屈折率の曲線を表す定数
Ｎ０は地球の表面における屈折率
ｋ及びｍは、ＳＤＲ地球大気測定値から決定される定数である。
【００６５】
上記の３つの式を使用して、屈折率ｎ（Ｌ）は地面からｈ１までの任意の値について求めることができ、地球の大気中の変化、即ち気象及び他の大気攪乱事象の変化によるものの継続的な監視を可能にする。指数関数的に変化する屈折率に対する式４の適用は、屈折率の自然対数を用いてプロットすると線形化でき、図１３に示すようになる。図１３のグラフでは、０からｈ１までの線の傾きの変化は、地球大気の屈折率の変化を表す。
【００６６】
例２：
大気攪乱事象、例えば（限定されるものではないが）、天気、森林火災、火山、地震などは、エミッタから電離圏への電波の射出、電離圏から反射された搬送波を電波検出器に収納された電波受信器の１次元又は２次元配列で検出、同期タイマを含むベクトルネットワークアナライザによる射出された電波と搬送波との間の位相差の決定、及びその結果の分析により検出される。大気攪乱事象による波の画像を含む位相画像は、ベクトルネットワークアナライザとＳＤＲを用いた直交法又は時間法の何れかによって生成される。大気攪乱事象の場所は、地理的に異なる場所及び三角測量にＧＮＳＳが設けられた少なくとも２つのＳＤＲ地球大気撮像装置を使用して決定できる。擾乱のパワーは、位相画像内の波の振幅から計算することができる。擾乱のエネルギーは、位相画像内の波の周波数から計算することができる。波の動きの方向は、位相画像内の波の波動ベクトルから決定することができる。擾乱の位置は、異なる場所に配置された２つ以上のＳＤＲ地球大気撮像装置によって撮影された位相画像の２つ以上の波動ベクトルから決定することができる。
【００６７】
例３：
宇宙の星や反射物体から地球に到達する光は、しばしば光の「瞬き」として現れる結像収差を被る。ＳＤＲ地球大気撮像装置は、星の画像化に悪影響を与える収差を補正するのに役立つように用いることができる。その表面波を測定することによって電離圏の動きを知ることは、地球の大気や電離圏による結像収差の補正を助けるために現在使用されているガイド星からの光だけでなく、宇宙の星や反射物体からの光を補正するのにも役立つ。
【００６８】
例４：
・技術の影響：
・気候変動の監視
・毎日の天気の予測
・森林火災や落雷についての大気の監視
・地震とプレートテクトニクスを監視（警告）
・津波の監視（警告）
・空気状態の監視（都市及び工業汚染）
・大規模な嵐（天候、気候変動）の強度と動きを監視
・ジェットストリームの監視（風力、気候変動）
・太陽の気候／北極光の監視（科学研究）
【００６９】
例示的な実施形態は、可能な最も実用的及び／又は適切な実施形態の例であると現在考えられているものに関連して記載されているが、その記載は開示された実施形態に限定されるものではなく、反対に、例示的な実施形態の趣旨及び範囲内に含まれる様々な修正及び均等な構成を包含することが意図されている。例えば、本技術のソフトウェア無線の能力を有するソフトウェアは、代替的実施形態で使用されてもよい。当業者には、習慣的な実験のみを用いて、本明細書に具体的に記載される具体的な実施形態の多くの均等物を認識するか、又は確認することができるであろう。そのような均等物は、本明細書に添付されるか又はその後に提出される請求項の範囲に包含されることが意図されている。
【図１】
2019523880.tif 000004
【図２】
2019523880.tif 000005
【図３】
2019523880.tif 000006
【図４】
2019523880.tif 000007
【図５】
2019523880.tif 000008
【図６】
2019523880.tif 000009
【図７】
2019523880.tif 000010
【図８】
2019523880.tif 000011
【図９】
2019523880.tif 000012
【図１０】
2019523880.tif 000013
【図１１】
2019523880.tif 000014
【図１２】
2019523880.tif 000015
【図１３】
2019523880.tif 000016
2019523880.tif 000017
2019523880.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月22日(2019.7.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータデバイスと共に使用するソフトウェア無線（ＳＤＲ）地球大気撮像システムであって、このシステムは、少なくとも１つの撮像装置を備え、この撮像装置は、
電波エミッタと、
電波検出器であり、電波受信器の一次元配列又は電波受信器の二次元配列の何れかを含む電波検出器と、
ベクトルネットワークアナライザであり、グローバルナビゲーション衛星システムＧＮＳＳ及び少なくとも１つのタイマを含むベクトルネットワークアナライザと、
前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するソフトウェア無線とを備え、前記電波エミッタは、前記ベクトルネットワークアナライザへ第１の時間信号を送ると同時に電離圏へ上空波を発信するためのものであり、このとき電離圏でその上空波は搬送波として反射し、前記電波検出器は、前記搬送波を受信すると同時に、前記ベクトルネットワークアナライザに第２の時間信号を射出するためのものであり、前記ソフトウェア無線は、前記ベクトルネットワークアナライザを制御するためのものであるシステム。
【請求項２】
請求項１のシステムにおいて、前記電波検出器は、電波受信器の２次元配列であるシステム。
【請求項３】
請求項１又は２のシステムにおいて、前記ベクトルネットワークアナライザは、クワドラチュアプロセッサを含むシステム。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載のシステムにおいて、前記撮像装置がローパスフィルタを含むシステム。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載のシステムにおいて、複数の前記撮像装置を備えるシステム。
【請求項６】
請求項５のシステムにおいて、コンピュータデバイスを更に備え、このコンピュータデバイスは、前記撮像装置の各ベクトルネットワークアナライザと電子通信するシステム。
【請求項７】
請求項６のシステムにおいて、前記コンピュータデバイスは、メモリとプロセッサとを含み、前記メモリは、位相シフトを計算するための命令を含むシステム。 
【請求項８】
請求項７のシステムにおいて、前記メモリは、前記位相シフトに基づいて屈折率を計算するための命令を更に含むシステム。
【請求項９】
請求項８のシステムにおいて、前記電波エミッタは、地上波を射出するように構成され、前記電波検出器は、前記地上波を検出するように構成されているシステム。
【請求項１０】
特定区域における大気攪乱事象を検出する方法であって、少なくとも１つの撮像装置を利用することを含み、この撮像装置は、電波エミッタと、；電波検出器であり、電波受信器の一次元配列又は電波受信器の二次元配列の何れかを含む電波検出器と、；ベクトルネットワークアナライザであり、ＧＮＳＳと少なくとも１つのタイマとを含み、前記ベクトルネットワークアナライザは、前記電波エミッタ及び前記電波受信器のそれぞれと電子通信するベクトルネットワークアナライザと、；ソフトウェア無線であり、前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するソフトウェア無線と、；前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するコンピュータデバイスとを備え、；前記方法は、前記電波エミッタが電波を電離圏へ射出し、これに付随して第１の時間信号を前記ベクトルネットワークアナライザへ送信し、前記電波検出器は電離圏から反射された搬送波を検出し、これに付随して第２の時間信号を前記ベクトルネットワークアナライザへ送信し、前記第１の時間信号と前記第２の時間信号との間の時間差を決定し、前記射出された電波と前記搬送波との間の位相差を、前記時間差に基づいて決定することを含む方法。
【請求項１１】
請求項１０の方法において、少なくとも２つの前記撮像装置間の三角測量を使用して前記大気攪乱事象を位置特定することを更に含む方法。
【請求項１２】
請求項１１の方法において、前記大気攪乱事象を定量化するように位相シフトを分析することを更に含む方法。
【請求項１３】
請求項１２の方法において、前記大気攪乱事象の位置を報告することを更に含む方法。
【請求項１４】
ソフトウェア無線（ＳＤＲ）地球大気撮像システムであって、このシステムは、少なくとも１つの撮像装置を備え、この撮像装置は、上空波、地上波及び第１の時間信号を射出するように構成された電波エミッタと、；電波検出器であり、電波受信器の２次元配列を含み、搬送波と前記地上波を受信して第２の時間信号を送信する電波検出器と、；ＧＮＳＳと少なくとも１つの同期クロックとを含むベクトルネットワークアナライザであり、第１のワイヤを介して前記電波エミッタと電気的に通信し、第２のワイヤを介して前記電波検出器と電気的に通信し、これらのワイヤは前記時間信号を送信するためのものであるベクトルネットワークアナライザと、；前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するソフトウェア無線と、；前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するコンピュータデバイスとを備えるシステム。 
【請求項１５】
請求項１４のシステムにおいて、２つ以上の前記撮像装置を備えるシステム。
【請求項１６】
請求項１５のシステムにおいて、前記ベクトルネットワークアナライザは、クワドラチュアプロセッサを更に含むシステム。
【請求項１７】
コンピュータデバイスと共に使用するためのソフトウェア無線（ＳＤＲ）地球大気撮像システムであって、このシステムは少なくとも１つの撮像装置を備え、この撮像装置は、上空波と第１の時間信号を射出する電波エミッタと、；電波検出器であり、電波受信器の一次元配列又は電波受信器の二次元配列の何れかを含み、前記電波検出器は、搬送波を受信して第２の時間信号を送信する電波検出器と、；ベクトルネットワークアナライザであり、ＧＮＳＳ及びクワドラチュアプロセッサを含み、第１のワイヤを介して前記電波エミッタと電気的に通信し、第２のワイヤを介して前記電波検出器と電気的に通信し、これらのワイヤは前記時間信号を送信するためのものであるベクトルネットワークアナライザと、；前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するソフトウェア無線とを備えるシステム。
【請求項１８】
特定区域における大気攪乱事象を検出する方法であって、請求項１７の撮像システムを利用することを含む方法。
【請求項１９】
コンピュータデバイスと共に使用するためのソフトウェア無線（ＳＤＲ）地球大気撮像システムであって、このシステムは少なくとも１つの撮像装置を備え、この撮像装置は、上空波と第１の時間信号を射出する電波エミッタと、；電波検出器であり、電波受信器の一次元配列又は電波受信器の二次元配列の何れかを含み、前記電波検出器は、搬送波を受信して第２の時間信号を送信する電波検出器と、；ベクトルネットワークアナライザであり、ＧＮＳＳ及び少なくとも１つのタイマを含むベクトルネットワークアナライザと、；前記電波エミッタ及び前記電波検出器の各々を前記ベクトルネットワークアナライザに接続し、前記第１の時間信号及び前記第２の時間信号をそれぞれ前記ベクトルネットワークアナライザに送信する第１のワイヤ及び第２のワイヤと、；前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するソフトウェア無線とを備えるシステム。
【請求項２０】
請求項１９のシステムにおいて、前記電波検出器は、電波受信器の２次元配列であるシステム。
【請求項２１】
請求項１９又は２０のシステムにおいて、前記ベクトルネットワークアナライザは、クワドラチュアプロセッサを含むシステム。
【請求項２２】
請求項１９乃至２１の何れか一項に記載のシステムにおいて、前記撮像装置がローパスフィルタを含むシステム。
【請求項２３】
請求項１９乃至２２の何れか一項に記載のシステムにおいて、複数の前記撮像装置を含むシステム。
【請求項２４】
請求項２３のシステムにおいて、コンピュータデバイスを更に備え、このコンピュータデバイスは前記ベクトルネットワークアナライザと電子通信するシステム。
【請求項２５】
請求項２４のシステムにおいて、前記コンピュータデバイスはメモリとプロセッサとを含み、前記メモリは、位相シフトを計算するための命令を含むシステム。
【請求項２６】
請求項２５のシステムにおいて、前記メモリは、前記位相シフトに基づいて屈折率を計算するための命令を更に含むシステム。
【国際調査報告】
2019523880.tif 000019
2019523880.tif 000020